《1 引言》
1 引言
在现代工业化社会, 电力是社会生产、生活的重要支柱。在以计算机为基础的信息化社会, 电力是保证社会正常运转的根本能源。电力系统由小到大, 经过低压输电到高压输电, 直流输电与交流输电等若干技术变革, 发展为现代的多机、大容量、交直流结合的复杂系统。但是, 随着系统的扩大, 重要性的增加, 电力系统在若干方面正面临着难以克服的困难。
在我国, 由于能源资源和能源消费分布的不一致, 高电压、长距离的西电东送不可避免, 这使得系统的稳定性问题变得十分突出。在大城市, 电能消费密度不断增长, 但送电通道越来越紧张, 用常规技术已经难以解决大城市高密度大容量送电问题。而且, 随着电力消费的增长, 电力系统越来越大, 断路器的断流容量已经很难满足系统短路容量增长的要求;过大的短路电流又对电力装置提出了更高的电磁、电动以及热的技术指标。由于用具有电阻的铜铝作为导电物质网损巨大我国的网损高达8.1%, 依此计算, 到2010年, 按预测的装机容量, 我国每年在输配电网络上将损失近两个三峡电站的电能。
只有在电力系统中解决上述难题, 才能满足社会进一步发展的需要。而要解决上述困难, 急需在电力系统进行重大的技术革新。由于超导具有电阻为零以及其他一些优越特性, 应用超导技术, 正是解决电力系统中上述困难的有效途径。超导技术经过几十年的进步和成长, 已经达到可以实际应用到电力系统的水平。在电力系统中引入超导技术是今后, 也就是21世纪电力工业的重要发展方向。
《2 21世纪对电力系统的要求》
2 21世纪对电力系统的要求
在21世纪, 社会发展将对电力系统提出若干新的要求。从社会背景变化来说, 环境问题、产业结构的变化、能源消费结构的变化、信息化社会、生活方式的变化、能源资源、分散电源、能源产业间的竞争等问题可以认为将对电力工业的发展产生深刻的影响 (表1) 。
《表1》
表1 21世纪对电力工业的要求
Table 1 Requirements to the electric power industry in the 21st century
○—具有一定的相关性;◎—紧密相关
环境问题主要体现在防止地球变暖, 抑制和削减排放CO2, NOX, SOX等公害气体。其主要对应策略除了大力发展脱硝、脱硫技术外, 节能和使用清洁能源才能从根本上解决问题。其他与电力工业相关的环境问题还有输电线路所带来的电磁污染和破坏自然景观等问题。
产业结构的变化, 第三产业的扩大等, 不但会影响电力工业在整个工业生产中的比重, 也会在电力负荷特性 (如负荷曲线、负荷的功率因素等) , 电力的重要性等方面发生变化。
在我国, 一次能源以煤为主, 二次能源以电为主的基本格局在今后相当长的时期内不会改变。而且, 由于电力在传输、转换等方面的优越性能, 以及计算机为主体的信息化社会的进步, 与世界各国的发展趋势相同, 电力的重要性会越来越突出, 在最终能源消费中电力消费的比重将越来越大。同时, 电力本身的结构也会逐步发生变化, 核能发电以及太阳能、风能等新型发电方式的比重将会逐渐增大。
以计算机网络为主要特征的信息化社会的到来, 将对电力供给的稳定、可靠性提出更高的要求;不可靠的电力供给, 将会给社会直接带来巨大的损失和混乱。
随着社会的发展, 人们的生活、消费方式正在逐渐发生变化。空调的普及, 家用电器负荷的增多, 高龄化社会所要求的用于老人和病人的医疗护理设备的普及等等, 将会改变电力需要的负荷特性和增加对电力供给可靠性的要求。城市化的发展以及城市经济的发展, 在21世纪我国电力系统将不可避免地会碰到向大城市高密度地提供大容量电力的问题。
能源资源的短缺是一个世界性的课题, 由此而带来的燃料价格的上升必将冲击电力工业。因此而发展起来的各种新的发电方式, 如太阳能发电、风力发电、地热发电、垃圾发电 (燃烧或沼气化) 等又将改变电力工业的结构。能源产业间的竞争, 如天然气、液化气应用的普及, 电力的市场化等也将对电力工业提出新的课题。
上述社会背景的变化, 对电力工业提出了一系列新的要求, 但集中起来主要在以下三点上要有更大的技术进步和革新, 即提高经济性;提高供电可靠性;增强节省资源、保护环境意识。
对于供电可靠性, 可分为长期可靠性和短期可靠性。长期可靠性主要体现在提高系统输送能力, 保障电力供给等方面。短期可靠性主要包括提高系统的稳定性, 改善供电质量等技术指标方面。
社会背景对电力工业的要求与以上三个技术指标的关系可用表1更加清楚地予以说明。
《3 电力工业面临的关键科学技术课题》
3 电力工业面临的关键科学技术课题
为满足21世纪对电力系统的基本要求, 电力工业存在着若干基本科学技术问题有待进一步地改进和革新。电源方面主要是提高效率和探索新的发电方式;输送电方面主要是提高输送电力的容量、确保系统稳定运行和提高效率;在大城市以及配电网上, 主要是提高效率, 提高送电密度, 改善供电质量;在负荷侧, 则重点在于节能;在各个环节上的共同目标是要降低成本、提高效率、保护环境与节省资源。表2列出了在以上几个方面的主要问题和对策。对于每一个课题, 虽然可以从表2找出一种甚至几种相应的常规技术, 但是更应该看到, 超导技术和每一个课题都会产生影响。而且, 常规技术只能从技术角度对现有系统作某种改进, 难以产生重大的突破和革命性改变, 但应用超导技术却是解决这些重大问题的有效途径, 或可以带来革命性的突破。
《表2》
表2 21世纪电力工业所面临的关键科学技术课题
Table 2 Important problems of electric power industry in the 21st century
○—具有一定的相关性;◎—紧密相关
《4 超导电力的优越性》
4 超导电力的优越性
应用超导技术, 是解决上述电力工业科学技术课题的技术手段[1～4]。与常规技术相比较, 应用超导技术具有表3所示的优越性能, 可以解决若干现有的常规技术难以解决的电力系统中的重大难题。超导发电机可以使发电机的同步电抗减小到常规发电机的1/3, 从而提高发电机的稳定送电极限。超导电缆可以降低电网损耗, 减少输电线路占地面积, 并以较低电压输送巨大容量的电能, 为大城市的高密度送电提供保证;电压等级的降低, 还会使系统绝缘水平下降, 电网结构得到改善, 从而带来巨大的经济效益;超导限流器可以限制系统短路电流, 从而降低系统中电气设备的电磁、电动热的技术指标。
《表3》
表3 超导电力的优越性
Table 3 Advantages of superconducting electric power system
技术经济效益更为明显的是, 超导储能系统可以显著地改善电力系统稳定性。超导储能系统不仅是储能方式中效率最高的一种, 它还可以通过电力电子变流器与系统接口, 快速存取电能, 成为能为系统快速提供有功、无功功率的快速响应器件, 从而改变现在的电力系统没有大容量快速存取电能的器件, 电能的生产和消费必须保持在机—电功率平衡状态的局限性。在系统的适当部位设置超导储能装置为系统快速提供有功、无功功率, 补偿系统因扰动而引发的机—电功率失衡, 可以提高系统的稳定性, 变现在电力系统的被动致稳为主动致稳。同时, 超导储能系统还可以改善系统供电品质, 增强分散电力系统的技术、经济性能。
《5 超导电力的现状》
5 超导电力的现状
由于20世纪80年代以来, 在交流用极细丝多芯超导线材的开发成功, 以及高温超导材料的发现和90年代高温超导线材技术的进步, 使得超导技术在电力工业的应用有了更加现实的意义。目前, 国外的超导应用研究正处在一个新的发展阶段。表4列出了部分超导电力应用技术的发展状况。所列各例是基于早期的 (如MIT开发的8 kW的超导发电机) 、最新的 (如高温超导变压器) 、有特色的 (如名古屋大学开发的可用于连接超导系统与常规系统的低压侧用超导线、高压侧用常规铜线的复合式超导变压器) 等原则而选列的。从表4可以看到, 目前超导发电机, 超导变压器, 超导限流器, 超导电缆, 超导磁储能系统 (SMES) 等超导电力装置的实验样机相继试制成功, 有的已经开始联网试运行, 达到或接近实用水平。部分超导电力装置已经进入市场[31]。专家估计再经过10～15年的努力, 超导电力的广泛应用将成为现实[2]。在21世纪, 超导电力应用技术将系统地进入电力系统, 并形成一个庞大的市场。
超导电力系统的系统性能必将不同于传统电力系统, 而这种独特的系统特性又必将对超导电力装置提出与非电力应用超导装置不同的特性要求, 由此, 在系统和装置级都会面临一些从未有过的科学技术问题需要我们去研究解决, 一个新兴的超导电力科学领域正在形成。为了发展我国自主的超导应用知识产权, 在21世纪的先进电工技术领域争得一席之地, 我们有必要立即着手进行超导电力应用研究工作。
《6 结论》
6 结论
超导电力应用技术还处在发展过程中, 有若干问题需要解决。除了进一步发展具有更高临界温度的超导体, 开发出具有更高的临界电流值和更好的机械性能的超导线材等超导科学本身的课题外, 就超导电力应用而言, 以下课题是应该得到充分重视的:超导电力系统的动态特性和控制理论;超导电力装置与系统的失超保护;低温、电力电子、绝缘等相关技术。
《表4》
表4 超导电力应用技术现状
Table 4 Current states of applying superconducting technology into the electric power system
在超导电力应用技术上虽然尚存在以上重要课题需要研究解决, 但超导技术是解决21世纪人类社会对电力系统所提出的若干经济、技术要求的最有效途径之一。在21世纪, 超导电力应用技术将在电力工业中获得实际应用, 将在电力工业中引发一场意义深远的技术革命。日本新能源开发机构认为, 开展超导电力应用的研究, 是21世纪国家间技术竞争的关键。由此可见, 大力发展我国的超导电力应用技术, 不仅是为了满足未来社会对电力工业的要求, 也是为了使我国在超导科学领域拥有独立的知识产权的重要步骤。超导电力应用技术是未来电力工业的重要发展方向。
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